Coloration structurelle - Structural coloration
Chez les êtres vivants, la coloration structurelle est la production de couleur par des surfaces microscopiquement structurées suffisamment fines pour interférer avec la lumière visible , parfois en combinaison avec des pigments . Par exemple, les plumes de la queue de paon sont pigmentées en brun, mais leur structure microscopique les fait également refléter la lumière bleue, turquoise et verte, et elles sont souvent irisées .
La coloration structurelle a été observée pour la première fois par les scientifiques anglais Robert Hooke et Isaac Newton , et son principe – l'interférence des ondes – expliqué par Thomas Young un siècle plus tard. Young a décrit l'irisation comme le résultat de l'interférence entre les réflexions de deux ou plusieurs surfaces de films minces , combinée à la réfraction lorsque la lumière entre et sort de ces films. La géométrie détermine alors qu'à certains angles, la lumière réfléchie par les deux surfaces interfère de manière constructive, tandis qu'à d'autres angles, la lumière interfère de manière destructive. Différentes couleurs apparaissent donc sous différents angles.
Chez les animaux comme sur les plumes des oiseaux et les écailles des papillons , des interférences sont créées par une gamme de mécanismes photoniques , notamment des réseaux de diffraction , des miroirs sélectifs, des cristaux photoniques , des fibres cristallines, des matrices de nanocanaux et des protéines qui peuvent faire varier leur configuration. Certaines coupes de viande présentent également une coloration structurelle due à l'exposition de l'arrangement périodique des fibres musculaires. Beaucoup de ces mécanismes photoniques correspondent à des structures élaborées visibles en microscopie électronique . Dans les quelques plantes qui exploitent la coloration structurelle, des couleurs brillantes sont produites par des structures à l'intérieur des cellules. La coloration bleue la plus brillante connue dans tous les tissus vivants se trouve dans les baies marbrées de Pollia condensata , où une structure en spirale de fibrilles de cellulose produit la diffusion de la lumière selon la loi de Bragg . Le brillant brillant des renoncules est produit par une réflexion en couche mince par l'épiderme complétée par une pigmentation jaune et une forte diffusion diffuse par une couche de cellules d'amidon immédiatement en dessous.
La coloration structurelle a un potentiel pour des applications industrielles, commerciales et militaires, avec des surfaces biomimétiques qui pourraient fournir des couleurs brillantes, un camouflage adaptatif , des commutateurs optiques efficaces et un verre à faible réflectance.
Histoire
Dans son livre Micrographia de 1665 , Robert Hooke décrit les couleurs « fantastiques » des plumes du paon :
Les parties des plumes de cet oiseau glorieux apparaissent, à travers le microscope, non moins voyantes que toutes les plumes ; car, quant à l'œil nu, il est évident que la tige ou la plume de chaque plume de la queue envoie des multitudes de branches latérales, … les pièces.
… leurs côtés supérieurs me semblent consister en une multitude de corps plaqués minces, qui sont extrêmement minces et sont très proches les uns des autres, et ainsi, comme les coquillages de nacre , ne reflètent pas seulement une lumière très vive, mais teintent cette lumière de la manière la plus curieuse ; et au moyen de diverses positions, à l'égard de la lumière, ils réfléchissent tantôt une couleur, puis une autre, et les plus vives. Maintenant que ces couleurs ne sont que des couleurs fantastiques, c'est-à-dire telles qu'elles naissent immédiatement des réfractions de la lumière, j'ai trouvé par là que l'eau mouillant ces parties colorées détruisait leurs couleurs, qui semblaient continuer de l'altération de la réflexion et de la réfraction.
Dans son livre Opticks de 1704 , Isaac Newton décrit le mécanisme des couleurs autres que le pigment brun des plumes de la queue du paon. Newton a noté que
Les plumes finement colorées de certains oiseaux, et en particulier celles des queues de paons, apparaissent, dans la même partie de la plume, de plusieurs couleurs dans plusieurs positions de l'œil, de la même manière que des plaques minces ont été trouvées pour faire dans les 7e et 19e Observations, et donc leurs couleurs découlent de la minceur des parties transparentes des plumes ; c'est-à-dire de la minceur des poils très fins, ou capillamenta, qui poussent sur les côtés des branches ou fibres latérales plus grossières de ces plumes.
Thomas Young (1773-1829) a étendu la théorie particulaire de la lumière de Newton en montrant que la lumière pouvait également se comporter comme une onde. Il montra en 1803 que la lumière pouvait se diffracter à partir d'arêtes vives ou de fentes, créant des motifs d' interférence .
Dans son livre Animal Coloration de 1892 , Frank Evers Beddard (1858-1925) a reconnu l'existence de couleurs structurelles :
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Les couleurs des animaux sont dues soit uniquement à la présence de pigments définis dans la peau, soit… sous la peau ; soit ils sont dus en partie à des effets optiques dus à la diffusion, à la diffraction ou à la réfraction inégale des rayons lumineux. Les couleurs de ce dernier type sont souvent qualifiées de couleurs structurelles ; elles sont causées par la structure des surfaces colorées. L'éclat métallique des plumes de nombreux oiseaux, comme les colibris , est dû à la présence de stries excessivement fines à la surface des plumes.
Mais Beddard a alors largement écarté la coloration structurelle, d'abord comme subordonnée aux pigments : « dans tous les cas, la couleur [structurelle] a besoin pour son affichage d'un fond de pigment foncé » ; puis en affirmant sa rareté : « La source de couleur de loin la plus courante chez les invertébrés est la présence dans la peau de pigments définis », bien qu'il admette plus tard que la taupe dorée du Cap a des « particularités structurelles » dans ses poils qui « donnent s'élever à des couleurs éclatantes".
Des principes
Structure non pigmentée
La coloration structurelle est causée par des effets d'interférence plutôt que par des pigments. Les couleurs sont produites lorsqu'un matériau est marqué de fines lignes parallèles, ou formé d'une ou plusieurs couches minces parallèles , ou autrement composé de microstructures à l'échelle de la longueur d' onde de la couleur .
Coloration structurelle est responsable des bleus et les verts des plumes de nombreux oiseaux (le guêpier , le martin - pêcheur et rouleau , par exemple), ainsi que de nombreux papillons ailes, coléoptère élytres ( élytres ) et (bien que rares parmi les fleurs ) le brillant des pétales de renoncule . Celles-ci sont souvent irisées , comme dans les plumes de paon et les coquillages nacrés comme les huîtres perlières ( Pteriidae ) et Nautilus . En effet, la couleur réfléchie dépend de l'angle de vision, qui à son tour régit l'espacement apparent des structures responsables. Les couleurs structurelles peuvent être combinées avec des couleurs pigmentaires : les plumes de paon sont pigmentées de brun avec de la mélanine , tandis que les pétales de renoncule ont à la fois des pigments caroténoïdes pour le jaunissement et des films minces pour la réflectivité.
Principe d'irisation
L'irisation, comme l'expliquait Thomas Young en 1803, est créée lorsque des films extrêmement minces réfléchissent une partie de la lumière qui tombe sur eux depuis leurs surfaces supérieures. Le reste de la lumière traverse les films et une autre partie est réfléchie par leurs surfaces inférieures. Les deux séries d'ondes réfléchies remontent dans la même direction. Mais comme les ondes réfléchies par le fond ont voyagé un peu plus loin – contrôlées par l'épaisseur et l'indice de réfraction du film, et l'angle sous lequel la lumière est tombée – les deux ensembles d'ondes sont déphasés . Lorsque les ondes sont séparées d'une ou plusieurs longueurs d'onde entières - en d'autres termes, à certains angles spécifiques, elles s'ajoutent (interfèrent de manière constructive), donnant une forte réflexion. À d'autres angles et différences de phase, ils peuvent se soustraire, donnant de faibles réflexions. Le film mince réfléchit donc sélectivement une seule longueur d'onde - une couleur pure - à n'importe quel angle donné, mais d'autres longueurs d'onde - différentes couleurs - à différents angles. Ainsi, lorsqu'une structure à couche mince telle qu'une aile de papillon ou une plume d'oiseau bouge, elle semble changer de couleur.
Mécanismes
Structures fixes
Un certain nombre de structures fixes peuvent créer des couleurs structurelles, par des mécanismes comprenant des réseaux de diffraction, des miroirs sélectifs, des cristaux photoniques, des fibres cristallines et des matrices déformées. Les structures peuvent être beaucoup plus élaborées qu'un seul film mince : les films peuvent être empilés pour donner une forte irisation, pour combiner deux couleurs, ou pour équilibrer l'inévitable changement de couleur avec l'angle pour donner un effet plus diffus, moins irisé. Chaque mécanisme offre une solution spécifique au problème de création d'une couleur vive ou d'une combinaison de couleurs visibles de différentes directions.
Un réseau de diffraction constitué de couches de chitine et d'air donne naissance aux couleurs irisées de diverses écailles d'ailes de papillon ainsi qu'aux plumes de la queue d'oiseaux tels que le paon. Hooke et Newton avaient raison d'affirmer que les couleurs du paon sont créées par interférence, mais les structures responsables, étant proches de la longueur d'onde de la lumière à l'échelle (voir les micrographies), étaient plus petites que les structures striées qu'ils pouvaient voir avec leurs microscopes optiques . Une autre façon de produire un réseau de diffraction consiste à utiliser des matrices de chitine en forme d'arbre, comme dans les écailles des ailes de certains des papillons Morpho tropicaux brillamment colorés (voir dessin). Encore une autre variante existe chez Parotia lawesii , la parotia de Lawes , un oiseau de paradis. Les barbules des plumes de sa poitrine aux couleurs vives sont en forme de V, créant des microstructures en film mince qui reflètent fortement deux couleurs différentes, le bleu-vert vif et le jaune orangé. Lorsque l'oiseau se déplace, la couleur change brusquement entre ces deux couleurs, plutôt que de dériver de manière irisée. Lors de la parade nuptiale, l'oiseau mâle effectue systématiquement de petits mouvements pour attirer les femelles, les structures doivent donc avoir évolué par sélection sexuelle .
Les cristaux photoniques peuvent être formés de différentes manières. Chez Parides sesostris , le papillon cœur de bovin à patch émeraude, les cristaux photoniques sont formés de réseaux de trous nanométriques dans la chitine des écailles des ailes. Les trous ont un diamètre d'environ 150 nanomètres et sont à peu près à la même distance les uns des autres. Les trous sont disposés régulièrement en petites taches ; les patchs voisins contiennent des tableaux avec des orientations différentes. Le résultat est que ces écailles de cœur de bovin à patch émeraude reflètent la lumière verte uniformément sous différents angles au lieu d'être irisées. Chez Lamprocyphus augustus , un charançon du Brésil , l'exosquelette de chitine est recouvert d'écailles ovales vertes irisées. Ceux-ci contiennent des réseaux cristallins à base de diamant orientés dans toutes les directions pour donner une coloration verte brillante qui varie à peine avec l'angle. Les échelles sont effectivement divisées en pixels d' environ un micromètre de large. Chacun de ces pixels est un monocristal et réfléchit la lumière dans une direction différente de ses voisins.
Les miroirs sélectifs pour créer des effets d'interférence sont formés de fosses en forme de bol de la taille d'un micron bordées de plusieurs couches de chitine dans les écailles des ailes de Papilio palinurus , le papillon machaon émeraude . Ceux-ci agissent comme des miroirs hautement sélectifs pour deux longueurs d'onde de la lumière. La lumière jaune est réfléchie directement depuis les centres des fosses ; la lumière bleue est réfléchie deux fois par les côtés des fosses. La combinaison apparaît en vert, mais peut être vue sous la forme d'un ensemble de taches jaunes entourées de cercles bleus au microscope.
Les fibres de cristal , formées de réseaux hexagonaux de nanofibres creuses, créent les couleurs vives et irisées des poils d' Aphrodita , la souris de mer , un genre d'annélides marins non vermiformes. Les couleurs sont aposématiques , avertissant les prédateurs de ne pas attaquer. Les parois de chitine des poils creux forment un cristal photonique hexagonal en nid d'abeille ; les trous hexagonaux sont distants de 0,51 µm. La structure se comporte optiquement comme si elle était constituée d'un empilement de 88 réseaux de diffraction, faisant d' Aphrodita l' un des organismes marins les plus irisés.
Des matrices déformées , constituées de nanocanaux orientés au hasard dans une matrice de kératine spongieuse , créent la couleur bleue diffuse non irisée d' Ara ararauna , l' ara bleu et jaune . Comme les reflets ne sont pas tous disposés dans la même direction, les couleurs, bien que toujours magnifiques, ne varient pas beaucoup avec l'angle, elles ne sont donc pas irisées.
Des spirales en spirale , formées de microfibrilles de cellulose empilées de manière hélicoïdale , créent un reflet de Bragg dans les "baies de marbre" de l'herbe africaine Pollia condensata , ce qui donne la coloration bleue la plus intense connue dans la nature. La surface de la baie comporte quatre couches de cellules aux parois épaisses, contenant des spirales de cellulose transparente espacées de manière à permettre une interférence constructive avec la lumière bleue. Au-dessous de ces cellules se trouve une couche épaisse de deux ou trois cellules contenant des tanins brun foncé . Pollia produit une couleur plus forte que les ailes des papillons Morpho et est l'un des premiers exemples de coloration structurelle connue de toute plante. Chaque cellule a sa propre épaisseur de fibres empilées, lui faisant réfléchir une couleur différente de ses voisines, et produisant un effet pixelisé ou pointilliste avec différents bleus mouchetés de points verts, violets et rouges brillants. Les fibres d'une cellule sont soit gauchers, soit droitières, de sorte que chaque cellule polarise circulairement la lumière qu'elle réfléchit dans un sens ou dans l'autre. Pollia est le premier organisme connu à montrer une telle polarisation aléatoire de la lumière, qui, néanmoins, n'a pas de fonction visuelle, car les oiseaux granivores qui visitent cette espèce végétale ne sont pas capables de percevoir la lumière polarisée. Des microstructures en spirale se retrouvent également chez les scarabées où elles produisent des couleurs irisées.
Film mince avec réflecteur diffus , basé sur les deux couches supérieures des pétales d'une renoncule. Le brillant jaune brillant provient d'une combinaison, rare parmi les plantes, de pigment jaune et de coloration structurelle. L'épiderme supérieur très lisse agit comme un film mince réfléchissant et irisé ; par exemple, chez Ranunculus acris , la couche a une épaisseur de 2,7 micromètres. Les cellules d'amidon inhabituelles forment un réflecteur diffus mais puissant, améliorant la brillance de la fleur. Les pétales incurvés forment un plat paraboloïde qui dirige la chaleur du soleil vers les parties reproductrices au centre de la fleur, la maintenant à quelques degrés Celsius au-dessus de la température ambiante.
Grilles de surface , constituées de caractéristiques de surface ordonnées dues à l' exposition de cellules musculaires ordonnées sur des morceaux de viande . La coloration structurelle sur les coupes de viande n'apparaît qu'après que le motif ordonné de fibrilles musculaires est exposé et que la lumière est diffractée par les protéines dans les fibrilles. La coloration ou la longueur d'onde de la lumière diffractée dépend de l'angle d'observation et peut être améliorée en recouvrant la viande de feuilles translucides. La rugosité de la surface ou l'élimination de la teneur en eau par séchage provoque l'effondrement de la structure, ce qui fait disparaître la coloration structurelle.
Des interférences provenant de plusieurs réflexions internes totales peuvent se produire dans des structures à micro-échelle, telles que des gouttelettes d'eau sessiles et des gouttelettes d'huile dans l'eau biphasique ainsi que des surfaces microstructurées en polymère. Dans ce mécanisme de coloration structurelle, les rayons lumineux qui se déplacent par différents chemins de réflexion interne totale le long d'une interface interfèrent pour générer une couleur irisée.
Structures variables
Certains animaux, y compris les céphalopodes tels que les calmars, sont capables de faire varier rapidement leurs couleurs à la fois pour le camouflage et la signalisation. Les mécanismes comprennent des protéines réversibles qui peuvent être commutées entre deux configurations. La configuration des protéines de réflectine dans les cellules chromatophores de la peau du calmar Doryteuthis pealeii est contrôlée par une charge électrique. Lorsque la charge est absente, les protéines s'empilent étroitement, formant une couche mince et plus réfléchissante ; lorsque la charge est présente, les molécules s'empilent plus lâchement, formant une couche plus épaisse. Étant donné que les chromatophores contiennent plusieurs couches de réflectine, le commutateur modifie l'espacement des couches et donc la couleur de la lumière réfléchie.
Les pieuvres à anneaux bleus passent une grande partie de leur temps à se cacher dans des crevasses tout en affichant des motifs de camouflage efficaces avec leurs cellules chromatophores dermiques . S'ils sont provoqués, ils changent rapidement de couleur, devenant jaune vif avec chacun des 50 à 60 anneaux clignotant d'un bleu irisé vif en un tiers de seconde. Chez la grande pieuvre à anneaux bleus ( Hapalochlaena lunulata ), les anneaux contiennent des iridophores multicouches . Ceux-ci sont disposés pour refléter la lumière bleu-vert dans une large direction de vision. Les flashs rapides des anneaux bleus sont obtenus en utilisant des muscles sous contrôle neural. Dans des circonstances normales, chaque anneau est caché par la contraction des muscles au-dessus des iridophores. Lorsque ceux-ci se détendent et que les muscles à l'extérieur de l'anneau se contractent, les anneaux bleu vif sont exposés.
Exemples
Les guêpiers d'Europe doivent leurs couleurs brillantes en partie aux microstructures des réseaux de diffraction dans leurs plumes
Chez les papillons Morpho tels que Morpho helena, les couleurs brillantes sont produites par des microstructures complexes en forme de sapin trop petites pour les microscopes optiques.
Le mâle Parotia lawesii oiseau de paradis signale à la femelle avec ses plumes de poitrine qui passent du bleu au jaune.
Le vert brillant du machaon émeraude, Papilio palinurus , est créé par des rangées de bols microscopiques qui reflètent directement le jaune et le bleu sur les côtés.
Le papillon cœur de bovin à patch émeraude, Parides sesostris , crée son vert brillant à l'aide de cristaux photoniques.
Les écailles irisées du charançon Lamprocyphus augustus contiennent des réseaux cristallins à base de diamant orientés dans toutes les directions pour donner un vert presque uniforme.
Les soies creuses en nanofibres d' Aphrodita aculeata (une espèce de souris de mer) réfléchissent la lumière dans les jaunes, les rouges et les verts pour avertir les prédateurs.
Le calmar côtier à nageoires longues, Doryteuthis pealeii , a été étudié pour sa capacité à changer de couleur.
Interférence de couche mince dans une bulle de savon. La couleur varie avec l'épaisseur du film.
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En technologie
Gabriel Lippmann a remporté le prix Nobel de physique en 1908 pour ses travaux sur une méthode de coloration structurelle de la photographie couleur, la plaque Lippmann . Celui-ci utilisait une émulsion photosensible suffisamment fine pour que les interférences causées par les ondes lumineuses se reflétant sur le dos de la plaque de verre soient enregistrées dans l'épaisseur de la couche d'émulsion, dans un processus photographique monochrome (noir et blanc). La lumière blanche brillante à travers la plaque reconstitue efficacement les couleurs de la scène photographiée.
En 2010, la couturière Donna Sgro a confectionné une robe en Morphotex de Teijin Fibers, un tissu non teint tissé à partir de fibres structurellement colorées, imitant la microstructure des écailles d'ailes de papillon Morpho . Les fibres sont composées de 61 couches plates alternées, d'une épaisseur comprise entre 70 et 100 nanomètres, de deux plastiques d'indices de réfraction différents, le nylon et le polyester , dans une gaine en nylon transparent de section ovale. Les matériaux sont disposés de manière à ce que la couleur ne varie pas avec l'angle. Les fibres ont été produites en rouge, vert, bleu et violet.
La coloration structurelle pourrait être davantage exploitée industriellement et commercialement, et des recherches qui pourraient conduire à de telles applications sont en cours. Un parallèle direct serait de créer des tissus de camouflage militaire actifs ou adaptatifs qui varient leurs couleurs et leurs motifs pour correspondre à leurs environnements, tout comme le font les caméléons et les céphalopodes . La possibilité de faire varier la réflectivité à différentes longueurs d'onde de la lumière pourrait également conduire à des commutateurs optiques efficaces qui pourraient fonctionner comme des transistors , permettant aux ingénieurs de fabriquer des ordinateurs et des routeurs optiques rapides.
La surface de l' œil composé de la mouche domestique est densément remplie de projections microscopiques qui ont pour effet de réduire la réflexion et donc d'augmenter la transmission de la lumière incidente. De même, les yeux de certains papillons de nuit ont des surfaces antireflet, utilisant à nouveau des réseaux de piliers plus petits que la longueur d'onde de la lumière. Les nanostructures "à œil de papillon" pourraient être utilisées pour créer du verre à faible réflectance pour les fenêtres, les cellules solaires, les dispositifs d'affichage et les technologies militaires furtives. Des surfaces biomimétiques antireflet utilisant le principe du « œil de papillon » peuvent être fabriquées en créant d'abord un masque par lithographie avec des nanoparticules d'or, puis en réalisant une gravure ionique réactive .
Voir également
Bibliographie
Livres pionniers
- Beddard, Frank Evers (1892). Coloration animale, un compte-rendu des principaux faits et théories concernant les couleurs et les marques des animaux . Swan Sonnenschein, Londres.
- --- 2e édition, 1895 .
- Hooke, Robert (1665). Micrographia , John Martyn et James Allestry, Londres.
- Newton, Isaac (1704). Opticks , William Innys, Londres.
Recherche
- Fox, DL (1992). Biochromes animaux et couleurs structurelles animales . Presse de l'Université de Californie.
- Johnsen, S. (2011). L'optique de la vie : un guide du biologiste sur la lumière dans la nature . Presse de l'Université de Princeton.
- Kolle, M. (2011). Structures photoniques inspirées de la nature . Springer.
Livres généraux
- Brebbia, Californie (2011). La couleur dans l'art, le design et la nature . WIT Appuyez sur.
- Lee, DW (2008). La palette de la nature : la science de la couleur végétale . Presse de l'Université de Chicago.
- Kinoshita, S. (2008). « La couleur structurelle dans le royaume de la nature ». Éditions scientifiques mondiales
Remarques
Les références
Liens externes
- National Geographic News: Les secrets du plumage de paon découverts
- Doucet, SM; Shawkey, MD ; Hill, GE ; Montgomerie, R. (2006). "Plumage irisé chez les oiseaux de satin : structure, mécanismes et prédicteurs nanostructuraux de la variation individuelle de la couleur" . Journal de biologie expérimentale . 209 (2) : 380-390. doi : 10.1242/jeb.01988 . PMID 16391360 . S2CID 14595674 .
- Causes de couleur : Plumes de paon
- Papillons et gyroïdes – Numberphile